Quantum køleskab fungerer ved at overlejre rækkefølgen af ​​begivenheder

Har du nogensinde prøvet at tø din aftensmad op ved at putte den i den ene identiske fryser efter den anden? Hvor mærkeligt det end lyder, nyere undersøgelser af ubestemt kausal rækkefølge - hvor forskellige rækkefølger af begivenheder er kvanteoverlejret - tyder på, at dette faktisk kunne fungere for kvantesystemer. Forskere ved University of Oxford viser, hvordan fænomenet kan tages i brug i en form for kvantekøling.

Resultaterne følger rapporter om virkningerne af ubestemt kausal rækkefølge i kvanteberegning og kvantekommunikation. "Folk spurgte - er kvantekredsløbsmodellen en komplet beskrivelse af enhver mulig kvanterækkefølge af begivenheder?" forklarer David Felce, en ph.d. studerende ved University of Oxford, da han beskriver, hvordan forskning i ubestemt kausal rækkefølge er opstået over de seneste 10 år.

At undersøge dette spørgsmål førte til undersøgelser af tilstande, der passerer gennem depolariserende kanaler, hvor en veldefineret begyndelsestilstand ender i en fuldstændig tilfældig tilstand. Ingen meningsfuld informationsoverførsel er mulig gennem en depolariserende kanal, men tingene ændrer sig, når kvantetilstanden føres gennem den ene depolarisationskanal efter den anden i en ubestemt kausal rækkefølge. Så er rækkefølgen af ​​kanalerne i en superposition, og viklet ind i en kontrol-qubit, som er i en superposition af forskellige tilstande. Forskere har fundet ud af, at når en tilstand føres gennem to depolariserende kanaler i en ubestemt kausal rækkefølge, en vis mængde information transmitteres, hvis kontrolqubit også kan måles.

"Termalisering er ret lig depolarisering, " forklarer Felce, forklarer, at i stedet for at give dig en fuldstændig tilfældig tilstand, termalisering giver dig en tilstand, der for det meste er tilfældig med en højere eller lavere chance for at være i den højere eller lavere energitilstand afhængigt af temperaturen. "Jeg troede, hvis du termaliserer noget to gange i en ubestemt kausal rækkefølge, så ender du ikke med den temperaturtilstand, du ville forvente." Uventede temperaturresultater fra termalisering kan være termodynamisk nyttige, tilføjer han.

Felce og University of Oxford professor i informationsvidenskab Vlatko Vedral analyserede udtryk for en termaliserende kanal beskrevet i lignende vendinger som en depolariserende kanal og overvejede virkningerne af ubestemt kausal rækkefølge. Blandt de "underlige" effekter, de fandt, var muligheden for at termalisere en kvantetilstand med to termiske reservoirer ved samme temperatur med ubestemt kausal rækkefølge og ende med tilstanden i en anden temperatur. Forskerne foreslår en kølecyklus med dette som første skridt. Næste, det ville være nødvendigt at måle kontrol-qubitten for at finde ud af, om temperaturen i den termaliserede kvantetilstand er blevet hævet eller ej. Hvis det har, efterfølgende termalisering af den samme tilstand klassisk med et varmt reservoir (trin to), så kunne et koldt reservoir (trin tre) afkøle det kolde reservoir, fordi varmen, der overføres fra tilstanden tilbage til det kolde reservoir, ville være mindre end den, der overføres af de kolde reservoirer til staten i trin et.

Ved første øjekast, dette kan virke i modstrid med termodynamikkens love. Et konventionelt køleskab fungerer, fordi det er tilsluttet lysnettet eller en anden energikilde, så hvad giver energien til den ubestemte kausale orden kvantekøling? Felce forklarer, at dette kan beskrives på samme måde, som Maxwells dæmon passer med termodynamikkens love.

Maxwell havde antaget, at en dæmon, der overvåger døren til en skillevæg i en kasse med partikler, kunne måle temperaturen på partikler og åbne og lukke døren for at sortere de kolde og varme partikler i separate skillevægge i boksen, formindskelse af systemets entropi. Ifølge termodynamikkens love, entropi bør altid stige i fravær af udført arbejde. Forskere har siden forklaret den tilsyneladende inkonsekvens ved at fremhæve, at dæmonen måler partiklerne, og at de oplysninger, der er lagret på deres målte temperaturer, vil kræve en vis mængde energi at slette - Landauers sletteenergi.

Felce påpeger, at ligesom Maxwells dæmon, i hver cyklus af kvantekøleskabet, det er nødvendigt at foretage en måling på kontrol-qubitten for at vide, hvilken rækkefølge tingene skete. "Når du har gemt denne i det væsentlige tilfældige information på din harddisk, hvis du vil returnere din harddisk til dens oprindelige tilstand, så skal du bruge energi til at slette harddisken, " siger han. "Så du kunne finde på at fodre køleskabet med tomme harddiske, i stedet for elektricitet, at løbe."

Næste, Felce planlægger at undersøge måder at implementere køleskabet på ubestemt kausal orden. Indtil nu, eksperimentelle implementeringer af ubestemte kausale ordener har brugt kontrol-qubits i en superposition af polarisationstilstande. En polarisationsafhængig stråledeler vil derefter sende en foton gennem et kredsløb i en anden retning afhængigt af polarisationen, således at en superposition af polarisationstilstande fører til en superposition af den rækkefølge, hvori fotonen passerer gennem kredsløbselementerne. Felce er også interesseret i at se på at generalisere resultaterne til flere reservoirer.

© 2020 Science X Network